Vật liệu quang điện mới do các nhà khoa học Stanford phát triển cho các tấm năng lượng mặt trời siêu mỏng, nhẹ

Các vật liệu quang điện siêu mỏng mới cuối cùng có thể được sử dụng trong các ứng dụng di động, từ các thiết bị đeo và cảm biến tự cung cấp năng lượng cho đến máy bay hạng nhẹ và xe điện.

Một cuộc đua đang diễn ra trong lĩnh vực kỹ thuật năng lượng mặt trời để tạo ra các tấm pin mặt trời linh hoạt, mỏng đến mức không tưởng. Các kỹ sư tưởng tượng chúng được sử dụng trong các ứng dụng di động, từ các thiết bị đeo và cảm biến tự cung cấp năng lượng cho đến máy bay hạng nhẹ và xe điện. Trong bối cảnh đó, các nhà nghiên cứu tại Đại học Stanford đã đạt được hiệu suất kỷ lục trong một nhóm vật liệu quang điện đầy hứa hẹn.

Đứng đầu trong số các lợi ích của các dichalcogenides kim loại chuyển tiếp này – hay TMDs – là chúng hấp thụ mức độ cực cao của ánh sáng mặt trời chiếu vào bề mặt của chúng so với các vật liệu năng lượng mặt trời khác.

Koosha Nassiri Nazif, một học giả tiến sĩ về kỹ thuật điện tại Stanford và đồng tác giả của một nghiên cứu đăng trên ấn bản ngày 9 tháng 12 của Nature Communications . “Đó là lời hứa của TMDs.”

Việc tìm kiếm vật liệu mới là cần thiết bởi vì vị vua trị vì của vật liệu năng lượng mặt trời, silicon, quá nặng, cồng kềnh và cứng nhắc cho các ứng dụng mà tính linh hoạt, nhẹ và công suất cao là ưu việt, chẳng hạn như thiết bị đeo và cảm biến hoặc hàng không vũ trụ và xe điện.

“Silicon chiếm 95% thị trường năng lượng mặt trời ngày nay, nhưng nó còn lâu mới hoàn hảo. Chúng tôi cần những vật liệu mới nhẹ, có thể uốn cong và nói thẳng ra là thân thiện với môi trường hơn, ”Krishna Saraswat, giáo sư kỹ thuật điện và tác giả cấp cao của bài báo cho biết.

Một sự thay thế cạnh tranh

Trong khi TMD có nhiều hứa hẹn, các thí nghiệm nghiên cứu cho đến nay đã phải vật lộn để biến hơn 2% ánh sáng mặt trời mà chúng hấp thụ thành điện năng. Đối với các tấm pin mặt trời silicon, con số đó đang đạt 30%. Để được sử dụng rộng rãi, các TMD sẽ phải thu hẹp khoảng cách đó.

Nguyên mẫu Stanford mới đạt được hiệu suất chuyển đổi điện năng là 5,1%, nhưng các tác giả dự đoán rằng họ thực tế có thể đạt hiệu suất 27% dựa trên các tối ưu hóa quang học và điện. Con số đó sẽ ngang bằng với các tấm pin mặt trời tốt nhất trên thị trường hiện nay, bao gồm cả silicon.

Hơn nữa, nguyên mẫu đã nhận ra tỷ lệ công suất trên trọng lượng lớn hơn 100 lần so với bất kỳ TMD nào chưa được phát triển. Tỷ lệ đó rất quan trọng đối với các ứng dụng di động, như máy bay không người lái, xe điện và khả năng sạc thiết bị thám hiểm khi đang di chuyển. Khi xem xét công suất cụ thể – thước đo sản lượng điện trên một đơn vị trọng lượng của pin mặt trời – mẫu thử nghiệm tạo ra 4,4 watt trên gam, một con số cạnh tranh với các loại pin mặt trời màng mỏng hiện tại khác, bao gồm cả các nguyên mẫu thử nghiệm khác.

Saraswat cho biết: “Chúng tôi nghĩ rằng chúng tôi có thể tăng tỷ lệ quan trọng này lên mười lần nữa thông qua việc tối ưu hóa,” Saraswat cho biết thêm rằng họ ước tính giới hạn thực tế của các tế bào TMD của họ là 46 watt / gam.

Lợi thế bổ sung

Tuy nhiên, lợi ích lớn nhất của chúng là độ mỏng đáng kể, không chỉ giảm thiểu việc sử dụng vật liệu và chi phí mà còn làm cho các tế bào năng lượng mặt trời TMD nhẹ và linh hoạt và có khả năng được đúc thành các hình dạng bất thường – mái nhà ô tô, cánh máy bay hoặc cơ thể con người. Nhóm nghiên cứu Stanford đã có thể tạo ra một mảng hoạt động chỉ dày vài trăm nanomet. Mảng này bao gồm diselenide vonfram TMD quang điện và các điểm tiếp xúc bằng vàng được bao bọc bởi một lớp graphene dẫn điện chỉ dày một nguyên tử. Tất cả những gì được kẹp giữa một polyme dẻo, giống như da và một lớp phủ chống phản xạ giúp cải thiện khả năng hấp thụ ánh sáng.

Khi được lắp ráp hoàn chỉnh, các tế bào TMD có độ dày chưa đến 6 micron – tương đương với một túi đựng rác văn phòng nhẹ. Cần 15 lớp để đạt được độ dày của một tờ giấy.

Mặc dù độ mỏng, trọng lượng nhẹ và tính linh hoạt đều là những mục tiêu rất được mong đợi, nhưng TMD cũng có những lợi thế kỹ thuật khác. Chúng ổn định và đáng tin cậy trong thời gian dài. Và không giống như những kẻ thách thức khác đối với vương miện màng mỏng, TMDs không chứa hóa chất độc hại. Chúng cũng tương thích sinh học, vì vậy chúng có thể được sử dụng trong các ứng dụng đeo được yêu cầu tiếp xúc trực tiếp với da hoặc mô của con người.

Một tương lai đầy hứa hẹn

Nhiều ưu điểm của TMDs bị cản trở bởi một số nhược điểm nhất định, chủ yếu là do sự phức tạp về kỹ thuật của sản xuất hàng loạt. Quá trình chuyển một lớp siêu mỏng của TMD sang một vật liệu hỗ trợ, mềm dẻo thường làm hỏng lớp TMD.

Alwin Daus, đồng tác giả của nghiên cứu với Nassiri Nazif, đã phát minh ra quy trình chuyển giao gắn các mảng năng lượng mặt trời TMD mỏng vào chất nền linh hoạt. Ông cho biết thách thức kỹ thuật này là đáng kể. Daus, một học giả sau tiến sĩ trong nhóm nghiên cứu của Eric Pop tại Stanford, giải thích rằng một bước liên quan đến việc chuyển lớp graphene mỏng nguyên tử lên một chất nền dẻo chỉ dày vài micromet. Hiện anh là nhà nghiên cứu cấp cao tại Đại học RWTH Aachen ở Đức.

Quá trình phức tạp này dẫn đến việc TMD được nhúng hoàn toàn vào chất nền linh hoạt dẫn đến độ bền cao hơn. Các nhà nghiên cứu đã kiểm tra tính linh hoạt và độ bền của các thiết bị của họ bằng cách uốn cong chúng xung quanh một hình trụ kim loại dày chưa đến một phần ba inch.

“Mạnh mẽ, linh hoạt và bền bỉ, TMD là một hướng đi mới đầy hứa hẹn trong công nghệ năng lượng mặt trời,” Nassiri Nazif kết luận.

Tham khảo: “Pin mặt trời dichalcogenide kim loại chuyển tiếp linh hoạt có công suất cụ thể cao” của Koosha Nassiri Nazif, Alwin Daus, Jiho Hong, Nayeun Lee, Sam Vaziri, Aravindh Kumar, Frederick Nitta, Michelle E. Chen, Siavash Kananian, Raisul Islam, Kwan -Ho Kim, Jin-Hong Park, Ada SY Poon, Mark L. Brongersma, Eric Pop và Krishna C. Saraswat, ngày 9 tháng 12 năm 2021, Nature Communications .
DOI: 10.1038 / s41467-021-27195-7

Theo Scitechdaily